壳聚糖改性聚天冬氨酸聚合物的制备及其阻垢缓蚀机理研究

发布时间：2020-08-15 16:14

【摘要】：水污染与水资源短缺已成为人类社会和经济发展的制约因素,研究节能环保的环境治理技术势在必行。目前工业循环冷却水系统中大多使用的是以有机膦酸盐为主要成分的磷系药剂,磷系药剂是水中细菌和藻类的营养成分,含磷系药剂的循环冷却水排放后,易引起水体的富营养化,造成生态环境的破坏,因此,开发一种无磷环保型的阻垢缓蚀剂已成为水处理剂领域亟待解决的重要课题。本论文用壳聚糖(CS)改性聚天冬氨酸(PASP),合成了聚天冬氨酸改性聚合物(PASP-CS),并对PASP-CS的阻垢缓蚀性能、机理及其影响因素进行研究,旨在开发一种环保型无磷阻垢缓蚀剂,以取代传统的磷系阻垢缓蚀剂,保护水环境。本文主要研究成果如下:(1)以马来酸酐和尿素为原料合成了PASP,用乙二胺与PASP合成侧链带有氨基的中间产物(EPASP),再用CS与EPASP反应得到产物PASP-CS。通过对反应条件的优化,研究各种因素影响下产物对CaCO_3和Ca_3(PO_4)_2阻垢性能,得到最佳合成工艺条件为:EPASP与CS的质量比为2:1,EPASP与50%戊二醛质量比为1:1,2%盐酸与2%醋酸最佳体积比为4:1,反应温度为40℃,反应时间为3h。通过对改性产物PASP-CS、PASP和PASP与CS混合物阻垢性能比较分析表明,投加浓度为10mg/L时,PASP-CS对碳酸钙和磷酸钙的阻垢率分别为91.1%和84.9%,较之PASP对碳酸钙和磷酸钙的阻垢性能分别提高了14.8%和17.5%。壳聚糖改性聚天冬氨酸之后大幅提高了对碳酸钙和磷酸钙的阻垢效率,这是因为壳聚糖中含有大量的-OH,通过改性后能够提高聚合物对二价阳离子的稳定性,提高其抗水解和抗凝胶能力。(2)通过将PASP-CS与常用阻垢剂进行阻碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、稳锌离子和分散三氧化二铁性能研究,结果表明PASP-CS具有广泛、高效的阻垢性能和较好的综合性能。通过壳聚糖改性后分子中同时含有-COOH和-OH基团的PASP-CS阻垢性能最佳,分子中只含有-COOH和只含有-OH基团的PASP和CS阻垢性能较差,PASP-CS对磷酸钙具有优异的阻垢性能。通过对钙垢扫描和XRD分析表明当加入PASP-CS后,由于Ca~(2+)和水样中的碳酸根离子与磷酸根离子结合过程中受到PASP-CS的抑制作用,使得形成的CaCO_3不规则,不再是菱形、条形,得到的晶体形成了分层扭曲,垢样质地疏松分散,生成的磷酸钙晶体结构变得扭曲,不规则和分散。(3)通过对PASP-CS缓蚀性能研究表明,PASP-CS的缓蚀性能优于常用的水处理药剂,PASP-CS较PASP缓蚀率提高了24.7%。通过极化曲线分析表明PASP-CS是一种阳极型的缓蚀剂,能在碳钢表面形成吸附膜,对碳钢表现出了较好的缓蚀保护能力。通过电镜扫描和XRD分析表明,加入PASP-CS后在金属试片的表面形成了一层吸附膜,阻止了腐蚀性离子在试片表面作用,表现出很好的缓蚀性能。通过对PASP-CS应用性能研究表明,在药剂添加量为10mg/L时可以将循环冷却水中(总硬+总碱)=15mmol/L的成垢物质稳定在水中,PASP-CS阻垢缓蚀性能优于低磷缓蚀阻垢剂。(4)通过运用分子动力学方法对PASP-CS与碳酸钙和磷酸钙的阻垢机理进行模拟,研究结果表明,PASP-CS与钙垢晶体是相互吸引的,PASP-CS与钙垢的结合能大于PASP与钙垢的结合能,在模拟体系中加入水分子后使得模拟结果与实际情况吻合,水分子的存在增强了聚合物阻垢剂的形变能。通过将常用阻垢剂与碳酸钙和磷酸钙的模拟结果与实验结果进行比较分析,结果可知在水溶条件模拟结果与实验结果基本一致,说明水溶条件下模拟是可行的,在水溶条件下的模拟方法可以快速准确地预测阻垢剂对碳酸钙和磷酸钙的阻垢效果。(5)通过运用分子动力学方法对PASP-CS与碳钢进行模拟,结果表明水分子存在的情况下,聚合物与碳钢晶面形变能减少,对比PASP-CS与方解石和羟基磷灰石的形变能增加,这说明在不同晶面上水分子的作用则不同,充分说明了在构建模拟体系时水分子存在的重要性。通过将常用缓蚀剂与碳钢进行分子动力学模拟,模拟结果与实验结果进行比较分析,结果可知在水溶条件下模拟结果与实验结果基本一致,在水溶条件下的模拟方法可以用来快速准确地预测缓蚀剂对碳钢的缓蚀效果。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ085.4
【图文】：

进行缩聚方法制得了聚天冬氨酸，然后对 PASP 热性能和阻垢性能进行分析，研究表明，PASP 可以耐高温而且热稳定性好，而当 Ca2+浓度在 300 mg/L 时，PASP用量为 0.2 mg/L 时，PASP 对 CaCO3的阻垢率为 88%，而且阻垢率达到 100%时的 PASP 药剂用量仅仅为 2.0 mg/L。1.3.2 聚天冬氨酸改性研究进展在合成 PASP 时通常首先用原材料聚合反应制得中间产物聚琥珀酰亚胺，再把其中间产物在碱性的环境中进行水解而成。而通过对聚天冬氨酸的研制进行研究，研究发现 PASP 有三种改性途径，第一种是通过改变原材料的组成；第二种是通过在碱性水解过程中，在对聚琥珀酰亚胺进行开环时改变使用其他碱性材料，然后将目标基团引入再进行反应；第三种是通过 PASP 自身发生反应。通过以上这三种改性途径，出现了三种改性的方法，即共聚改性、交联改性和开环改性。

结果发现，当温度在恒有着良好的协同效应，而且其阻其阻垢性能更为优异。性能研究进展叫做脱乙酰甲壳素，是由几丁质(聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D 葡萄特性是具有生物官能性、安全性各个行业的极大关注，与此同时取以及回收和生物医学工程等领

1.196 为马来酸酐分子量和 PSI 单分子量的比值。珀酰亚胺的水解定量按上述方法制备的 PSI 置于烧杯中，加入一定量的 NaOH 溶液，室温下搅拌至溶解得到深红棕色液体，随后水浴加热一定时间，稀盐酸调节其 pH 值为中性，再向其加入 20mL 的无水乙醇，使其沉淀液后，放入 80℃烘箱中烘干处理，干燥后为红棕色脆性固体，即为氨酸[100]。反应式如图 2.2 所示。图 2.1 聚琥珀酰亚胺的合成Figure 2.1 synthesis of polysuccinimide

【参考文献】

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1 韶晖;周胤;王雅;冷一欣;钟t

本文编号：2794348